JP2007256534A - 光制御素子及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】
バイアスジャンプ現象を防止し、瞬間的な制御電圧の変動が少ない光制御素子及びその製造方法を提供すること。
【解決手段】
電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板と、該基板内を伝搬する光波を制御するための電極とを有する光制御素子において、該光制御素子が筐体内に設置され、該筐体内を乾燥窒素よりも絶縁性の高いガスで充填することを特徴とする。
また、該筐体内に充填されたガスが消弧性ガスを含むことが、より好ましい。
【選択図】なし

Description

本発明は、光制御素子及びその製造方法に関し、特に、電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板を用いた光制御素子及びその製造方法に関する。

従来、光通信分野や光計測分野において、電気光学効果を有する基板に光導波路や、該光導波路内を伝搬する光波を変調するための変調電極を形成した導波路型光変調器などの光制御素子が実用化されている。

ＬｉＮｂＯ_３などの電気光学効果を有する基板は、温度変化により焦電効果が生じることが知られており、発生した電荷によって光導波路に不要な電界が加わり、意図しない屈折率変化を生じるため、安定した出力特性を維持するために光制御素子を制御する電圧が時間的に変動するドリフト現象を生じる。

焦電効果を緩和する方法として、種々の方法が提案されており、例えば、Ｚ−ｃｕｔ基板を用いる場合には、特許文献１のように、Ｓｉなどの半導電性膜体を電極間に設け、電荷を誘起させることで導波路に及ぼす焦電効果を緩和する方法が開示されている。Ｘ−ｃｕｔ基板を用いる場合には、特許文献２乃至４のように、基板側面、基板表面で光導波路や変調電極を除いた領域、又は基板の裏面に形成された凹部の内面などに導電膜を形成し、焦電効果を抑制することが開示されている。
特開昭６２−７３２０７号公報 特開平４−２１４５２６号公報 特開平７−１５９７４３号公報 特開２００２−１８２１７３号公報

さらに、焦電効果により一定以上に蓄積した電荷は、ある瞬間に解放され、放電現象を生じ、光制御素子においては制御電圧の瞬間的かつ不連続な変動を生じる。この現象はバイアスジャンプと呼ばれる。バイアスジャンプは光出力の不安定性を伴うことから、本出願人は、特許文献５で示すように、バイアスジャンプ現象を抑制するため、基板のエッジ部分に導電膜を形成したり、エッジ部分を鈍角になるように加工処理することを提案した。
特開２００３−７５７９１号公報

しかしながら、半導電性膜体を電極間に配置する方法では、電極間の抵抗値にばらつきが生じやすく、光制御素子の動作特性が変動し、製品の安定性及び歩留まりが低下する原因となる。また、導電膜を形成する方法では、特に、基板側面、基板裏面、又は基板のエッジ部分などに導電膜を形成する際に、電極間の短絡を防止するため、所定のマスクで電極間を保護した後に導電膜を形成する必要があり、光制御素子を製造する際の製造工程が複雑化及び高コスト化するなどの問題を生じている。

さらに、上述した各種の焦電効果を緩和する方法を使用した場合でも、完全に焦電効果を防止することはできず、蓄積した電荷による放電が光制御素子の不特定箇所で発生することによるバイアスジャンプが観察されている。また、このような放電現象は、圧電効果を有する基板を利用した場合にも同様に発生する。

本発明が解決しようとする課題は、上述したような問題を解決し、バイアスジャンプ現象を防止し、瞬間的な制御電圧の変動が少ない光制御素子及びその製造方法を提供することである。

請求項１に係る発明では、電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板と、該基板内を伝搬する光波を制御するための電極とを有する光制御素子において、該光制御素子が筐体内に設置され、該筐体内を乾燥窒素よりも絶縁性の高いガスで充填することを特徴とする。

請求項２に係る発明では、請求項１に記載の光制御素子において、該基板に光導波路が形成されていることを特徴とする。

請求項３に係る発明では、請求項１又は２に記載の光制御素子において、該筐体内に充填されたガスが消弧性ガスを含むことを特徴とする。

請求項４に係る発明では、請求項３に記載の光制御素子において、該消弧性ガスはＳＦ_６であることを特徴とする。

請求項５に係る発明では、請求項３又は４に記載の光制御素子において、該消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上であることを特徴とする。

請求項６に係る発明では、電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための電極とを有する光制御素子の製造方法において、該光制御素子が筐体内に設置され、該筐体を真空パージし、その後、該筐体内を消弧性ガスを含むガスで充填させ、該筐体を封止することを特徴とする。

請求項７に係る発明では、請求項６に記載の光制御素子の製造方法において、該筐体を真空パージした後、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下の気体中で放置し、該筐体内に消弧性を含むガスを充填させ、該筐体を封止することを特徴とする。

請求項１に係る発明により、光制御素子を乾燥窒素よりも絶縁性の高い雰囲気内で動作させることにより、焦電効果によるバイアスジャンプ現象を防止し、仮に駆動電圧の増加や電極間隔をより狭くした場合においても、より安定した動作が可能な光制御素子を提供することができる。
特に、光制御素子が筐体内に設置され、該筐体内を乾燥窒素よりも絶縁性の高いガスで充填するため、長期間に渡りバイアスジャンプ現象を防止することが可能となる。また、筐体を用いるため、充填圧を大気圧よりも大きくとることが可能となり、より効果的にバイアスジャンプを抑制することが可能となる。

請求項２に係る発明により、基板に光導波路が形成されている光制御素子である光導波路素子に対しても、バイアスジャンプ現象が防止でき、安定動作する光制御素子を提供することが可能となる。

請求項３に係る発明により、筐体内に充填されたガスが消弧性ガスを含むため、極めて安定的に光制御素子の表面で発生する放電を抑制でき、仮に放電が生じても瞬時にこれを打ち消すため、バイアスジャンプ現象を効率的に防止することが可能となる。

請求項４に係る発明により、消弧性ガスはＳＦ_６であるため、より効果的にバイアスジャンプ現象を防止することが可能となる。

請求項５に係る発明により、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上であるため、バイアスジャンプ現象の防止効果を発現させることが可能となる。

請求項６に係る発明により、光制御素子の製造方法において、光制御素子を筐体内に設置し、該筐体を真空パージし、その後、該筐体内を消弧性ガスを含むガスで充填させ、該筐体を封止するため、光制御素子が常に消弧性ガスと接触する雰囲気を形成できると共に、この状態を長期間に渡り維持することが可能なるため、バイアスジャンプ現象を効果的に防止することが可能となる。

請求項７に係る発明により、筐体を真空パージした後、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下の気体中で放置し、該筐体内に消弧性を含むガスを充填させ、該筐体を封止するため、消弧性ガスを光制御素子に必要十分に供給することが可能となると共に、消弧性ガスが液化するなどの不具合も防止することが可能なる。

以下、本発明を好適例を用いて詳細に説明する。
本発明は、電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板と、該基板内を伝搬する光波を制御するための電極とを有する光制御素子において、該光制御素子が筐体内に設置され、該筐体内を乾燥窒素よりも絶縁性の高いガスで充填することを特徴とする。
特に、筐体内に充填されたガスは、消弧性ガス（ＳＦ_６，Ｈ_２，ＣＯ_２）を含むことが好ましい。

本発明が適用される光制御素子は、位相又は強度光変調器や、光スイッチなどの差動動作デバイス、バルク型変調器、さらには偏光器など高電圧を印加して動作するものなどがあり、好適には、光制御素子を内蔵したモジュールや、光制御素子と共に駆動回路や半導体レーザなどを内蔵した光制御素子モジュール、あるいは半導体の微細加工技術を駆使して作製された微小な部品から構成される電気機械システムの総称であるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子が組み込まれたパッケージなどのように、少なくとも光制御素子を筐体内に収容し、筐体内を気密封止するものであれば、特に限定されるものではない。

また、光制御素子が形成される基板は、電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板であり、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛ランタン）、及び石英系の材料などが利用可能である。これらの基板は、温度変化に伴い、焦電効果や、圧力変化によるピエゾ効果が発生するが、光制御素子を絶縁性の高いガスで取り囲んでいるため、蓄積した電荷による放電が抑制され、バイアスジャンプ現象を防止することが可能となる。

光制御素子は、電極を有しており、特に、光制御素子の一つである光導波路素子においては、光導波路や該光導波路を伝搬する光波を制御するための変調電極などを有している。例えば、基板の光導波路は、Ｔｉなどを熱拡散法やプロトン交換法などで基板表面又は裏面に拡散させることにより形成することができる。また、基板に溝を設けることで形成されるスラブ型導波路やリッジを設けることで形成されるリッジ型導波路など種々の光導波路を利用することが可能である。さらに、変調電極を構成する信号電極や接地電極などは、Ｔｉ・Ａｕの電極パターンの形成及び金メッキ方法などにより形成することが可能である。またさらに、必要に応じて光導波路形成後の基板表面に誘電体ＳｉＯ_２等のバッファ層を設けることも可能である。

光制御素子を収容する筐体は、機械的強度が高く、光制御素子を構成する基板と同様な線膨張係数を持つ材料が好ましく、ＳＵＳ３０３やＳＵＳ３０４などのステンレス材料が利用可能である。筐体は光制御素子を収容した後、気密封止可能なようなように、ケースと蓋から構成されている。また、ケースには、光制御素子に接続される光ファイバーや電線などを筐体外部から導入するため、ケースの側面等に貫通孔が設けられているが、該貫通孔は、光ファイバーを配置した状態でハンダなどにより密閉されている。

ところで、通信用変調器の製造に用いられる厚さ１ｍｍのＬｉＮｂＯ_３基板の場合、１℃の温度変化につき焦電効果により８．３×１０^−５Ｃ／ｍ^２の電荷と約３２０Ｖの電位差を生じる。７０℃の温度変化がある場合には、電位差は約２０ｋＶ程度に達し、沿面放電の発生が顕著である。一般に、誘電体材料の沿面放電を抑制するには、基板を絶縁油、高絶縁性樹脂や絶縁性の高いガスで覆うことが有効である。絶縁油や絶縁性樹脂の誘電率は真空やガスに比べて大きく、高周波デバイスの設計、製作上で不利であるとともに、マイクロ波の損失が大きいといった欠点がある。

一方、高絶縁性ガスは、絶縁油や絶縁性樹脂に比較して、誘電率が低く、損失も少ないうえ、不燃性、軽量といった利点がある。ＬｉＮｂＯ_３結晶のように特に大きな焦電効果をもつ発生する電荷の量が多い材料の場合、単に絶縁により沿面放電を抑制するだけでなく、消弧性ガスを用いて電荷を消去することが望ましい。

光制御素子を収納した筐体は、ケースと蓋とがシーム溶接され気密封止される。この際に、筐体内には、ＳＦ_６，Ｈ_２，ＣＯ_２などの消弧性ガスが充填される。
特に、ＳＦ_６ガスは、化学的に安定した、無毒・無臭なガスであり、空気の約３倍の絶縁性能と約１００倍の消弧能力（高温の放電（火花）を消す能力）を有している。使用方法としては、圧力を高めるほど消弧効果は高くなるが、充填圧力が高すぎると液化するため、０．３Ｐａから０．５ＭＰａの範囲で使用することが望ましい。

消弧能力は、消弧性ガスの絶対量が大きく影響するため、より好ましくは、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上とすることにより、消弧能力の発現が十分に期待できる。また、充填圧力の増加に伴い消弧性ガスが液化するのを防ぐため、５気圧以下（０．５ＭＰａ）で使用することが好ましい。
さらに、消弧性ガスと組合わせる他のガスとしては、ＣＯ_２，ＣＦ_４，Ｎ_２やＨｅが、消弧性ガスの性能を安定的に発現させる上で好ましい。また、これらのガスは、筐体の密閉状態を検査するリークテストにも使用でき、より好ましい気体である。また、Ｎ_２／ＣＯ_２／ＳＦ_６混合ガスでは、ＳＦ_６単独で使用する場合より、高い絶縁特性を持つ混合比があることも知られている。

なお、本発明が対象としている分野は、結晶材料自身が持つ特性（焦電効果やピエゾ効果）によって生じる放電現象を抑制するものであって、例えば、外部から大きな電圧が加えられ、通電部分が放電する現象の抑制を対象としたものではない。すなわち、１ｋＶを超えるような大電圧を扱う変圧器や、断路器、遮断器、接地装置、避雷器等へガス封入された絶縁開閉装置とは発明の趣旨が根本から異なる。ここで述べた光制御素子に印加される外部電圧は、概ね１５Ｖ以下程度である。

また、筐体内に消弧性ガスを含むガスを充填は、次の手順で行うことができる。
（１）光制御素子を筐体内に設置する。
（２）筐体を真空容器内に収容し、真空パージを行う。好ましくは加熱しながら真空パージする方がより不要なガスを排出することが可能である。加熱時間は１〜６時間が好ましい。
（３）真空パージした真空容器内に、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下となる、消弧性ガスを含むガスを導入する。
（４）真空容器内に筐体を暫らく放置し、筐体内に消弧性ガスを含むガスを十分に充填する。
（５）筐体を封止し、筐体を真空容器から取り出す。

（実施例１）
電気光学効果を有する結晶性基板として、厚み５００μｍのＸ−ｃｕｔ型のＬｉＮｂＯ_３板を用い、フォトリソグラフィーを用いて導波路パターンを形成した。Ｔｉを真空蒸着法にて成膜後、リフトオフ法によりＴｉの導波路パターンを得た。次に、大気中にて１０００℃、１０〜２０時間の熱処理を経て光導波路を形成した。該結晶基板上にはＳｉＯ_２からなるバッファ層をスパッタ法にて形成し、その後、レジストパターンをガイドとして電界メッキにより高さ２０μｍのＡｕ電極を変調電極として形成した。なお、本実施例に用いた光制御素子には、特許文献５に開示したようなバイアスジャンプ抑制の構成は付加していない。

ダイシングソーを用いて光制御素子へ切り分けた後、ＳＵＳ３０３製筐体内に該光制御素子を固定した。該光制御素子に接続される光ファイバーは、筐体に設けられた導入孔を通じて導入され、該導入孔はハンダを用いて密閉した。

該光制御素子を収納した筐体内には、ＳＦ_６ガスを充填した。充填圧力は１気圧とした。筐体を構成するケースと蓋とは、シーム溶接により気密封止した。

（評価試験方法）
製作した光制御素子のモジュールを、０℃→７０℃→０℃まで連続的に温度変化させたときの駆動電圧の変動を測定した。昇温速度、降温速度は共に５℃／ｍｉｎとした。上記温度変化を３回繰り返し、駆動電圧の不連続点をカウントした。

（実施例２）
筐体内に封入するガスをＣＯ_２とした以外は、実施例１と同様に製作し、評価試験した。

（比較例）
筐体内に封入するガスをＨｅを僅かに含む合成空気とした以外は、実施例１と同様に製作し、評価試験した。

評価試験の結果を表１に示す。表１の結果より、本発明のように消弧性ガスを用いた場合には、バイアスジャンプが効果的に抑制できることが、明らかである。

本実施例は、ＬｉＮｂＯ_３のＸ−ｃｕｔ基板を用いた光制御素子を中心に説明したが、これに限らず、他の材料やＺ−ｃｕｔ基板においても、同様に本発明を適用できることは言うまでも無い。

以上説明したように、本発明によれば、バイアスジャンプ現象を防止し、瞬間的な制御電圧の変動が少ない光制御素子及びその製造方法を提供することができる。

Claims (7)

1. 電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板と、該基板内を伝搬する光波を制御するための電極とを有する光制御素子において、
   該光制御素子が筐体内に設置され、
   該筐体内を乾燥窒素よりも絶縁性の高いガスで充填することを特徴とする光制御素子。
2. 請求項１に記載の光制御素子において、該基板に光導波路が形成されていることを特徴とする光制御素子。
3. 請求項１又は２に記載の光制御素子において、該筐体内に充填されたガスが消弧性ガスを含むことを特徴とする光制御素子。
4. 請求項３に記載の光制御素子において、該消弧性ガスはＳＦ_６であることを特徴とする光制御素子。
5. 請求項３又は４に記載の光制御素子において、該消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上であることを特徴とする光制御素子。
6. 電気光学効果、圧電効果または焦電効果を有する基板と、該基板に形成された光導波路と、該光導波路を伝搬する光波を制御するための電極とを有する光制御素子の製造方法において、
   該光制御素子が筐体内に設置され、
   該筐体を真空パージし、
   その後、該筐体内を消弧性ガスを含むガスで充填させ、該筐体を封止することを特徴とする光制御素子の製造方法。
7. 請求項６に記載の光制御素子の製造方法において、該筐体を真空パージした後、消弧性ガスの分圧が０．１気圧以上５気圧以下の気体中で放置し、該筐体内に消弧性を含むガスを充填させ、該筐体を封止することを特徴とする光制御素子の製造方法。